王興軍，程云笛，黃星煜

（清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518000）

廣播電視白頻譜（以下簡(jiǎn)稱白頻譜），是指在特定時(shí)間、特定區(qū)域，在不對(duì)更高級(jí)別的服務(wù)產(chǎn)生干擾的基礎(chǔ)上，可被無(wú)線通信設(shè)備或系統(tǒng)使用的頻譜[1]，這其中包括了管理者沒(méi)有分配的頻譜、已分配但未使用或未充分使用的頻譜、相鄰頻道間的保護(hù)頻段以及模擬信號(hào)數(shù)字化帶來(lái)的“數(shù)字紅利”等。白頻譜所在頻率范圍的無(wú)線電波具有自由空間傳播路徑損耗小、透射和繞射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使得工作于這一頻段的設(shè)備在同等功率下?lián)碛懈鼜V的覆蓋范圍。

對(duì)白頻譜資源的需求主要來(lái)自兩方面。首先，隨著智能手機(jī)和平板電腦的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信量逐年增加。思科2014年2月發(fā)布的報(bào)告顯示，2013年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)通信量增長(zhǎng)了81%，相當(dāng)于2000年全球所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信量的18倍，國(guó)內(nèi)三大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總量也比2012年增長(zhǎng)了90%[2]。根據(jù)預(yù)測(cè)，2013年到2018年之間國(guó)際移動(dòng)數(shù)據(jù)通信量將增長(zhǎng)11倍，其增長(zhǎng)速度是固定設(shè)備數(shù)據(jù)通信的3倍之多，并且有望在2016年超越后者，占到全球數(shù)據(jù)通信量的55%[3]。如此龐大的無(wú)線數(shù)據(jù)通信量必然需要更多的帶寬資源。其次，在許多場(chǎng)合下，人們要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的覆蓋能力強(qiáng)于以往，希望在更多場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，比如市區(qū)WiFi、農(nóng)村地區(qū)無(wú)線寬帶、智能農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

在這種需求的推動(dòng)之下，研究人員、管理機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)制定組織已經(jīng)為如何高效、安全地使用白頻譜進(jìn)行了大量探索，并取得了階段性的成果。本文將首先介紹白頻譜接入的3種認(rèn)知無(wú)線電方案，它們是利用白頻譜的技術(shù)基礎(chǔ)；接著梳理自2007年以來(lái)，歐美國(guó)家白頻譜管理和部署工作的進(jìn)展；最后對(duì)兩種白頻譜標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11af和IEEE802.22進(jìn)行比較。

1 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

使用白頻譜的無(wú)線設(shè)備，即白頻譜設(shè)備（White Space Devices），所面臨的首要問(wèn)題是如何尋找可用白頻譜，并保證設(shè)備的操作不影響該頻段其他已有服務(wù)——尤其是經(jīng)過(guò)授權(quán)的服務(wù)。這一問(wèn)題的難點(diǎn)在于，經(jīng)過(guò)授權(quán)的服務(wù)占用的頻譜資源隨時(shí)間、地點(diǎn)的改變而動(dòng)態(tài)變化。這些服務(wù)中最具代表性的是PMSE（Program Making and Special Event），泛指為體育賽事直播、新聞采集、商業(yè)展會(huì)等一系列活動(dòng)所提供的廣播服務(wù)，它們占有廣電頻譜的時(shí)間具有極大的隨機(jī)性。另外，在一定地理范圍內(nèi)，各類白頻譜設(shè)備將競(jìng)爭(zhēng)白頻譜資源，它們必須能夠?qū)崟r(shí)獲取周邊與之競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備使用頻譜的信息，以避免沖突。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠解決上述問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電的核心思想是具有學(xué)習(xí)能力，主要使用頻譜感知、地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)和信標(biāo)接收3種方法實(shí)現(xiàn)頻譜檢測(cè)。

1.1 頻譜感知

頻譜感知是指白頻譜設(shè)備自發(fā)探測(cè)所在位置的頻譜環(huán)境，以確定收發(fā)數(shù)據(jù)的頻段。白頻譜設(shè)備主要使用兩種方法感知頻譜：功率檢測(cè)和特征檢測(cè)[4]。前者是指若探測(cè)到的無(wú)線電波功率超越某界限，就認(rèn)定該頻段已被占用，反之則推斷該頻段暫無(wú)使用者。這種檢測(cè)的缺陷之一是，為避免噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，需要提高檢測(cè)門(mén)限，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備可能漏檢信號(hào)。特征檢測(cè)則是處理接收到的信號(hào)，通過(guò)其幀格式等特征判斷信號(hào)是否為其他設(shè)備所發(fā)送。它能提升檢測(cè)靈敏度，也增加了設(shè)備的復(fù)雜性——畢竟各類設(shè)備的數(shù)據(jù)格式難以統(tǒng)一。因此實(shí)際應(yīng)用中通常將上述兩種方法結(jié)合使用。確定空閑頻道后，設(shè)備還需要探測(cè)與之相鄰的頻道是否被占用，以決定抑制帶外功率的標(biāo)準(zhǔn)。

由于存在“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題，僅依靠設(shè)備自身的頻譜感知難以保證結(jié)果的可靠性。圖1展示了一種極可能出現(xiàn)的場(chǎng)景[5]：電視廣播發(fā)射塔臺(tái)的信號(hào)受到建筑物阻擋，無(wú)法被具有感知能力的移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)到，而距離它很近的房屋上的天線卻與塔臺(tái)存在視距傳播路徑，因此移動(dòng)設(shè)備有可能使用塔臺(tái)正在占用的頻道向天線發(fā)送信號(hào)，對(duì)電視信號(hào)造成干擾。歐洲的管理者認(rèn)為，采用“協(xié)同感知”功能可以提高感知的準(zhǔn)確性。例如特定的中心設(shè)備可以收集某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)感知設(shè)備對(duì)頻道的檢測(cè)結(jié)果，用最優(yōu)化的判決門(mén)限分析這些結(jié)果，最終做出判斷。

另外，已經(jīng)獲取頻道使用權(quán)的白頻譜設(shè)備需要周期性地核實(shí)所占頻道是否仍然可用，這種周期的選取關(guān)系到設(shè)備的能耗及通信的效率。

1.2 地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)

這是目前被管理者廣泛接受的認(rèn)知無(wú)線電方案，其思想是把頻譜使用信息按照地理位置分類儲(chǔ)存在“地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)”中，由數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)頻譜進(jìn)行統(tǒng)一管理。當(dāng)白頻譜設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它把自身的位置信息和發(fā)射功率等參數(shù)報(bào)告給數(shù)據(jù)庫(kù)，以申請(qǐng)頻道的使用權(quán)。數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)白頻譜設(shè)備提供的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后把可用的頻譜以及功率限制等信息發(fā)送給提交申請(qǐng)的設(shè)備，同時(shí)還要周期性地向這些設(shè)備確認(rèn)信息的有效性。而白頻譜設(shè)備的一切操作必須遵循數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的信息指導(dǎo)，一旦不能確定這些信息的有效性，就必須立即停止操作。

這種方案引起了人們對(duì)安全性問(wèn)題的關(guān)注。一方面，數(shù)據(jù)庫(kù)本身要安全可靠，既要保證數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息不會(huì)被侵入者篡改，又要保證設(shè)備所訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)是經(jīng)過(guò)管理部門(mén)批準(zhǔn)的。另一方面，設(shè)備與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信內(nèi)容不可泄露，因?yàn)槠渲锌赡馨O(shè)備特有的參數(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)提供的授權(quán)信息。此外，如何保證白頻譜設(shè)備向數(shù)據(jù)庫(kù)提供的定位信息達(dá)到要求的精度，即如何確保設(shè)備獲得的空閑頻道信息在當(dāng)?shù)厥菧?zhǔn)確可用的，也是管理者必須解決的問(wèn)題。

1.3 信標(biāo)接收

“信標(biāo)”是一種能夠告知白頻譜設(shè)備信道空閑信息的信號(hào)。管理者需要在相應(yīng)地區(qū)部署一套信標(biāo)發(fā)射站，處在該覆蓋范圍內(nèi)的白頻譜設(shè)備被動(dòng)掃描信標(biāo)幀，這種信標(biāo)可以包括“使能信標(biāo)”和“停止信標(biāo)”，接收到前者的設(shè)備向信標(biāo)站獲取授權(quán)后，就可以操作空閑頻道。歐洲管理機(jī)構(gòu)的報(bào)告指出信標(biāo)接收方案對(duì)PMSE的保護(hù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4]。

信標(biāo)接收的弊端在于，一些設(shè)備由于受到建筑物遮擋而無(wú)法探測(cè)到信標(biāo)幀，從而浪費(fèi)某區(qū)域的空閑頻譜資源；由于設(shè)備性能的差異存在，如果在信標(biāo)覆蓋范圍之外的白頻譜設(shè)備檢測(cè)到了信標(biāo)并通過(guò)了授權(quán)，那么可能會(huì)對(duì)該設(shè)備所在區(qū)域已有的廣電服務(wù)造成嚴(yán)重干擾。

2 歐美國(guó)家管理白頻譜的進(jìn)展

2.1 美國(guó)

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communication Com?mittee，F(xiàn)CC）2008 年 11 月首次在 FCC 08-260“ Second Report and Order and Memorandum Opinion and Order”[6]中，允許未注冊(cè)的無(wú)線電設(shè)備使用當(dāng)?shù)氐目臻e廣播電視頻段（白頻譜），并認(rèn)為只要有恰當(dāng)?shù)墓芾砗秃线m的設(shè)備操作，未注冊(cè)無(wú)線電設(shè)備可以在使用白頻譜的同時(shí)不干擾已有服務(wù)。FCC在該文件中對(duì)這類設(shè)備進(jìn)行予以定義、分類，如表1所示，提出了用“地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)”、“接收外部控制信號(hào)”以及“頻譜感知”3種方法探測(cè)白頻譜，并對(duì)感知的功率下限和定位的最低精度做出相應(yīng)要求。同時(shí)，F(xiàn)CC也規(guī)定要保護(hù)已有廣電服務(wù)，給出了發(fā)射天線高度、發(fā)射功率控制、帶外功率限制等技術(shù)指標(biāo)。此后，在2010年和2012年，F(xiàn)CC兩次對(duì)FCC 08-260做出補(bǔ)充和修改。其中，2010年9月份公布的FCC 10-174[7]刪除了對(duì)白頻譜設(shè)備頻譜感知功能的強(qiáng)制要求，但出于長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，仍然鼓勵(lì)對(duì)頻譜感知技術(shù)的探索。文件中進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)廣電頻段已有服務(wù)的保護(hù)，并且著重要求地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)與白頻譜設(shè)備之間，各數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信要保證安全性。2012年4月的FCC 12-36[8]結(jié)合農(nóng)村地區(qū)以及廣電服務(wù)覆蓋率較低的地區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)設(shè)備高于平均地形高度限制（HAAT）、功率限制等進(jìn)行微調(diào)，以擴(kuò)大無(wú)線寬帶服務(wù)的覆蓋范圍。

表1 FCC對(duì)白頻譜設(shè)備的管理

隨著管理法案的出臺(tái)，美國(guó)白頻譜系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也得到迅速推進(jìn)。2011年12月FCC批準(zhǔn)Spectrum Bridge公司的“電視白頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”開(kāi)始運(yùn)行，這也是美國(guó)第一套投入運(yùn)行的白頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)備。2012年9月，F(xiàn)CC在東海岸部分地區(qū)開(kāi)放了“未注冊(cè)無(wú)繩電話登記系統(tǒng)”[9]，旨在利用電視白頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，確保無(wú)繩電話這樣的低功率設(shè)備不被其他未授權(quán)白頻譜設(shè)備干擾。同年12月，電視白頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)獲得了FCC的“工程與技術(shù)辦公室”的授權(quán)，被允許在東海岸的部分地區(qū)為未注冊(cè)的白頻譜設(shè)備提供服務(wù)，這一舉措極大地促進(jìn)了白頻譜服務(wù)在全美范圍內(nèi)的普及[10]。2013年3月，F(xiàn)CC在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)放了上述授權(quán)[11]，這無(wú)疑將更快地推進(jìn)美國(guó)白頻譜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2 歐洲

歐洲郵政電信會(huì)議（European Conference of Postal and Telecommunications Administration，CEPT）近年來(lái)逐步完善了管理體系。2011年1月發(fā)布了ECC Report 159[4]，在這份名為“對(duì)認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備在470 MHz到790 MHz的白頻譜中可能的操作技術(shù)和操作性管理”的報(bào)告中，管理者首先定義了一系列白頻譜設(shè)備的部署情景，其后重點(diǎn)探討了“地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)”和“頻譜感知”對(duì)不同類型已有服務(wù)的保護(hù)。當(dāng)被保護(hù)的對(duì)象是廣播服務(wù)時(shí)，報(bào)告計(jì)算了室內(nèi)、戶外的白頻譜設(shè)備的檢測(cè)門(mén)限，發(fā)現(xiàn)設(shè)備類型（固定/可移動(dòng)）和應(yīng)用場(chǎng)景（室內(nèi)/戶外）的不同，可以導(dǎo)致檢測(cè)門(mén)限在-91 dBm到-155 dBm之間變化（如表2所示），而-155 dBm的感知精度是現(xiàn)階段的技術(shù)難以達(dá)到的。因此報(bào)告的結(jié)論是白頻譜設(shè)備無(wú)法僅利用感知能力確保不干擾其他同頻道服務(wù)，地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)是較可行的方案，并且在數(shù)據(jù)庫(kù)體系中的設(shè)備無(wú)須具備感知能力。

兩年后，CEPT在2013年1月的另一份報(bào)告ECC Re?port 185[12]對(duì)ECC Report 159作出了補(bǔ)充。其中的一大進(jìn)展是ECC Report 185討論了為白頻譜設(shè)備設(shè)置固定功率上限的可能性，但尚未規(guī)定具體的上限數(shù)值。此外，報(bào)告研究了參與“協(xié)同感知”的設(shè)備數(shù)量對(duì)感知結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，得出的結(jié)論是協(xié)同感知能克服多徑衰減和對(duì)數(shù)正態(tài)衰減的影響，達(dá)到更好的感知效果。與之同月發(fā)布的ECC Report 186[13]專門(mén)為地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)體系中的白頻譜設(shè)備提出技術(shù)要求，該報(bào)告按照是否可移動(dòng)定義了A，B類設(shè)備，兩類設(shè)備均可扮演主設(shè)備或從設(shè)備的角色。主設(shè)備具備水平和垂直定位能力，它直接與數(shù)據(jù)庫(kù)通信，負(fù)責(zé)向從設(shè)備傳遞管理信息；從設(shè)備可以有定位能力，但不強(qiáng)制要求，它只能從它的主設(shè)備處得到運(yùn)行所需的參數(shù)。主、從設(shè)備之間通信的內(nèi)容被分為三類：設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)和頻道用途參數(shù)。主設(shè)備和從設(shè)備必須向它們各自的上級(jí)設(shè)備發(fā)送自身的“設(shè)備參數(shù)”，才能得到包含可用頻道編號(hào)及功率限制等信息的“操作參數(shù)”，主設(shè)備和從設(shè)備根據(jù)“操作參數(shù)”的要求，把欲申請(qǐng)使用的頻道信息通過(guò)“頻道用途參數(shù)”向上級(jí)設(shè)備報(bào)告。報(bào)告也對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的身份驗(yàn)證和通信安全性做出了規(guī)定。

表2 檢測(cè)門(mén)限計(jì)算結(jié)果[4]

其后，2013年7月CEPT所管轄的標(biāo)準(zhǔn)制定組織之一歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（European Telecommunications Stan?dards Institute，ETSI）頒布了標(biāo)準(zhǔn)草案 EN301 598 v1.0.0“白頻譜設(shè)備：運(yùn)作在470～790 MHz電視廣播頻段的無(wú)線接入系統(tǒng)”[14]。2014年2月18日，最終版本的標(biāo)準(zhǔn)草案EN301 598v1.0.9[15]面世。

2.3 英國(guó)

英國(guó)的管理機(jī)構(gòu)（Office of Communication，Ofcom）在2007年9月的聲明[16]中首次提出，允許認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備無(wú)須注冊(cè)就可以使用廣電頻段內(nèi)（470～790 MHz）“間隔的頻譜”，只要它們不會(huì)對(duì)已注冊(cè)的應(yīng)用造成有害干擾。Ofcom做出此決定的重要原因是該頻段的無(wú)線電波具備優(yōu)良的傳播特性，可以應(yīng)用于金融網(wǎng)絡(luò)、城市WiFi覆蓋、工農(nóng)業(yè)控制及自動(dòng)化、農(nóng)村地區(qū)寬帶部署等多種場(chǎng)合，并且部署設(shè)備的花費(fèi)更低。但是Ofcom同時(shí)也表示并不會(huì)劃分出專用的頻譜提供給未注冊(cè)設(shè)備使用。2009年7月Ofcom公布的“Digital Dividend:cognitive access”[5]闡述了3種探測(cè)空閑頻譜的認(rèn)知無(wú)線電方案。它認(rèn)為由于隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，感知的方式存在干擾已有服務(wù)的可能性，并且這種可能性不易評(píng)估。至于信標(biāo)接收，Ofcom認(rèn)為它的性能遜于前兩者，又考慮到受訪者對(duì)信標(biāo)接收方案并無(wú)太大反響，因此決定不對(duì)它展開(kāi)更多的探討。最終得出的結(jié)論是，盡管地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)難以完全滿足PMSE的需求，但仍然是現(xiàn)階段對(duì)廣電頻段已有服務(wù)造成干擾最小的方案。

2012年12月，為了在歐洲的白頻譜標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前為本國(guó)制造商提供一致性參考，Ofcom出臺(tái)了一份過(guò)渡性的本國(guó)自訂標(biāo)準(zhǔn)（草案）[17]，其對(duì)管理體系的定義和技術(shù)要求基本服從于同期的歐洲標(biāo)準(zhǔn)草案。從2013年8月開(kāi)始，Ofcom開(kāi)放了測(cè)試白頻譜設(shè)備的申請(qǐng)，任何想要參與測(cè)試的設(shè)備持有者都可以在申請(qǐng)被審核通過(guò)后進(jìn)行設(shè)備的試驗(yàn)。2014年2月，Ofcom公布了與試用期數(shù)據(jù)庫(kù)提供商的合約，已經(jīng)完成簽約的有Spectrum Bridge在內(nèi)的6家公司。

2.4 小結(jié)

美國(guó)與歐洲的管理者對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的選擇基本一致，都認(rèn)為地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)方案是在當(dāng)前的科技水平下，能最大程度上保護(hù)廣電頻段已有服務(wù)不受白頻譜設(shè)備干擾的技術(shù)，因此也都暫時(shí)采納了這一方案。歐洲和英國(guó)的管理者對(duì)設(shè)備的管理層次劃分比美國(guó)少一層，再加上不同層次設(shè)備嚴(yán)格按等級(jí)通信，不存在跨層次通信，使得體系架構(gòu)更簡(jiǎn)潔明朗。而FCC提出的管理體系雖然顯得復(fù)雜，但正是設(shè)備間多樣的通信模式提升了系統(tǒng)的可靠性。在功率限制方面，F(xiàn)CC對(duì)固定設(shè)備、兩類移動(dòng)設(shè)備、純感知設(shè)備都明確規(guī)定了功率上限，對(duì)固定設(shè)備還限制了天線增益最大值。而CEPT雖然也規(guī)定設(shè)備功率不能超過(guò)上限，但沒(méi)有為上限賦值。

3 IEEE802.11af與IEEE802.22的對(duì)比

3.1 物理層

為了推動(dòng)白頻譜WiFi的發(fā)展，F(xiàn)CC先后成立了IEEE802.22和802.11af工作小組。標(biāo)準(zhǔn)制定小組對(duì)IEEE802.11af的定位是“針對(duì)LAN和MAN的通信與信息交換技術(shù)”[18]，可推斷其目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合是中等距離的WLAN和WMAN覆蓋，比如樓宇內(nèi)及樓宇間的局域網(wǎng)、人口稠密的農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入等。而IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)旨在制定一個(gè)WRAN通信系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將該系統(tǒng)擴(kuò)展部署在各類地理地域，包括人口稀少的鄉(xiāng)村地區(qū)，同時(shí)避免對(duì)工作在電視頻段的現(xiàn)任授權(quán)服務(wù)造成有害干擾[19]。從兩種標(biāo)準(zhǔn)各自的定位不難看出兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層的指標(biāo)要求側(cè)重點(diǎn)不同，前者致力于延伸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，為此甘愿犧牲一定的速率性能；后者在保證較高速度的同時(shí)也會(huì)適當(dāng)?shù)丶骖檪鞑ゾ嚯x。表3對(duì)比了兩者物理層的主要參數(shù)。

表3 IEEE802.11af與IEEE802.22物理層主要參數(shù)對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，IEEE802.22的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于IEEE802.11af，因此受到傳播時(shí)延等因素的影響，IEEE802.22的數(shù)據(jù)率和頻譜效率都遠(yuǎn)小于IEEE802.11af。IEEE802.22的覆蓋范圍在BS的輻射功率小于4 W的前提下，覆蓋范圍仍可達(dá)到33 km，相比于IEEE802.11af的5 km覆蓋范圍，更適用于農(nóng)村WiFi的建設(shè)以及各種大型地區(qū)的WiFi覆蓋。但是IEEE802.22的數(shù)據(jù)率最高只有22.69 Mbit/s（BW=6 MHz），在CPE多于23的情況下，每個(gè)CPE分到的數(shù)據(jù)率就不到1 Mbit/s，因此只適用于人口較少的鄉(xiāng)村地區(qū)在內(nèi)的各類地域。而IEEE802.11af的數(shù)據(jù)率最高達(dá)到568.9 Mbit/s（BW=8 MHz），在一個(gè)AP平均支持大概20個(gè)用戶的實(shí)際情況下，每個(gè)用戶分到的數(shù)據(jù)率為28.445 Mbit/s，適用于中等距離的各種WiFi覆蓋，如比如樓宇內(nèi)及樓宇間的局域網(wǎng)、人口稠密的農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入、大型體育場(chǎng)館的網(wǎng)絡(luò)接入等。

此外，IEEE802.22和IEEE802.11af均支持多信道綁定，可以將連續(xù)或者不連續(xù)的信道進(jìn)行綁定，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。IEEE802.22最多可綁定3個(gè)信道，IEEE802.11af最多可綁定4個(gè)信道。

3.2 MAC層

從IEEE802.22和IEEE802.11af的定位可以看出，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)不能對(duì)現(xiàn)有的廣電頻段已注冊(cè)服務(wù)造成有害干擾，要求檢測(cè)地面廣播電視頻段的空白信道，并為次要用戶選擇最佳的空白信道。當(dāng)主用戶出現(xiàn)時(shí)，主用戶和次要用戶不會(huì)對(duì)彼此造成干擾。所以對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，以下兩個(gè)問(wèn)題尤為關(guān)鍵：用戶接入采用的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、信道管理。

3.2.1 認(rèn)知無(wú)線電功能

1）IEEE802.22的頻譜感知

所謂頻譜感知，是指用戶通過(guò)各種信號(hào)檢測(cè)和處理手段來(lái)獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息。獲得可用的頻譜信息后，用戶方可接入網(wǎng)絡(luò)。

為了檢測(cè)操作信道中是否有授權(quán)用戶，IEEE802.22網(wǎng)絡(luò)設(shè)置全網(wǎng)靜默期用于頻譜感知。在靜默期內(nèi)，所有的網(wǎng)絡(luò)傳輸暫停，所有的BS和CPE進(jìn)行帶內(nèi)感知操作[20]。帶內(nèi)感知分為幀內(nèi)感知和幀間感知兩個(gè)階段，分別使用盲感知方法和精細(xì)感知方法[21]。幀內(nèi)感知通常采用復(fù)雜度較低的感知方法（常用的有能量檢測(cè)、特征值檢測(cè)），可以在較短的時(shí)間內(nèi)感知是否存在授權(quán)用戶，精確度有限。在幀間感知階段，對(duì)在之前沒(méi)有感知到授權(quán)用戶的信道進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，感知是否存在授權(quán)用戶。授權(quán)用戶包括已注冊(cè)的廣電頻段和無(wú)線麥克風(fēng)，后者相對(duì)于前者功率較小（約50 mW），帶寬較窄（小于200 kHz），感知困難，文獻(xiàn)[22]是專門(mén)針對(duì)于無(wú)線麥克風(fēng)的感知算法。

在建立連接之前，BS需要在領(lǐng)域內(nèi)尋找授權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息建立初始可用信道列表。若未找到可用授權(quán)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，則默認(rèn)所有信道均為可用信道。之后BS在可用信道列表中刪除運(yùn)營(yíng)商禁止使用的信道，在剩下的信道上進(jìn)行頻譜感知，并建立與其他BS的同步。然后將更新后的可用信道交給上層，確定工作信道后在選定的信道上開(kāi)始工作，并開(kāi)始發(fā)送SCH（超幀控制頭，承載了IEEE802.22小區(qū)的信息）信號(hào)。

同時(shí)，BS控制其覆蓋范圍內(nèi)眾多的CPE進(jìn)行頻譜感知，其頻譜管理模塊（SM）收集各個(gè)CPE傳來(lái)的頻譜感知信息、地理位置信息等內(nèi)容，結(jié)合本地建立的頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)選擇信道、確定該CPE的最大EIRP等。然后BS根據(jù)CPE的位置信息，讓新設(shè)備接入合適的頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)包括電視頻道占用信息、低功率授權(quán)用戶信息、相鄰小區(qū)的工作信息等。

CPE必須有GPS定位能力，在進(jìn)行初始化時(shí)首先要掃描所有的廣播電視信道，接收BS發(fā)送的SCH信號(hào)，并與BS建立同步。之后CPE在SCH所在信道進(jìn)行頻譜感知，檢測(cè)該信道和兩側(cè)的相鄰信道是否有授權(quán)用戶的存在，若沒(méi)有，進(jìn)行初始測(cè)距，并通過(guò)該信道向BS申請(qǐng)信道。若CPE通過(guò)BS認(rèn)證，則通過(guò)注冊(cè)后BS向CPE發(fā)送信道設(shè)置（包括備用信道和候選信道）和操作參數(shù)（EIRP等），兩者建立IP連接。若CPE沒(méi)有通過(guò)BS認(rèn)證，則CPE繼續(xù)掃描廣電信道，尋找SCH信號(hào)。

2）IEEE802.11af的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)

IEEE802.11af系統(tǒng)中的地理位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)（GDB）記錄著占用白頻譜頻段的無(wú)線電服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，它按照服務(wù)的地理位置來(lái)組織、存儲(chǔ)信息。該數(shù)據(jù)庫(kù)必須受到有關(guān)管理機(jī)構(gòu)的授權(quán)以及相應(yīng)規(guī)章制度的約束，才被允許為其他設(shè)備提供“白頻譜圖（WSM）”。注冊(cè)位置安全服務(wù)器（Registered Location Secure Server，RLSS）對(duì)應(yīng)于FCC法案中定義的“固定設(shè)備”，IEEE802.11af對(duì)它的定義是“能夠獲取并管理GDB中信息的實(shí)體，它還能夠存儲(chǔ)基本服務(wù)集（BSSs）的位置及操作參數(shù)等信息”[18]，相當(dāng)于GDB與enabling STA的中介。依賴于GDB的授權(quán)工作站（簡(jiǎn)稱enabling STA）在傳送數(shù)據(jù)前，會(huì)聯(lián)系GDB或者RLSS以獲取可用它所在位置的WSM，之后該工作只在允許的頻率范圍內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。其后每當(dāng)依賴于GDB的非獨(dú)立工作站（簡(jiǎn)稱dependent STA）發(fā)出可用信道詢問(wèn)后，它會(huì)根據(jù)從GDB得到的頻譜信息生成與申請(qǐng)站地理位置相適應(yīng)的不同WSMs。

dependent STA的活動(dòng)要嚴(yán)格遵循enabling STA的控制。這種工作站的狀態(tài)機(jī)控制著它在3種狀態(tài)間切換——未使能、正在申請(qǐng)使能、已使能。其中，當(dāng)處于未使能狀態(tài)時(shí)，原則上不允許發(fā)送任何幀，只能被動(dòng)掃描，等待enabling STA的準(zhǔn)許使能信號(hào)，

dependent STA在啟動(dòng)后立即進(jìn)入“未使能”狀態(tài)，開(kāi)始被動(dòng)掃描enabling STA的信號(hào)。如果接收范圍內(nèi)的某個(gè)enabling STA有可分配的頻道資源，那么它向周邊發(fā)送GDD enabling signal。收到這一信號(hào)的dependent STA立即執(zhí)行以下步驟：

（1）進(jìn)入“正在申請(qǐng)使能”狀態(tài)；

（2）與相應(yīng)的enabling STA完成鑒權(quán)和關(guān)聯(lián)后，de?pendent STA向它發(fā)送“請(qǐng)求使能幀”。前者接收到“請(qǐng)求使能幀”后，以“使能響應(yīng)幀”應(yīng)答后者。

（3）當(dāng)GDD dependent STA收到的“使能響應(yīng)幀”且對(duì)方同意使能請(qǐng)求，它就進(jìn)入“已使能”狀態(tài)，只有在“已使能”狀態(tài)下才能進(jìn)行“申請(qǐng)白頻譜圖”、“申請(qǐng)使用空閑信道”等操作[18]。

IEEE802.22系統(tǒng)獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息包括GPS定位、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和頻譜感知3個(gè)步驟，其中CPE和BS均負(fù)責(zé)定位和頻譜感知部分，BS根據(jù)收集來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的信息得出最終的頻譜使用信息，這種方式復(fù)雜相對(duì)度較高，頻譜檢測(cè)的正確率也比較高；IEEE802.11af則是由enabling STA從GDB獲取白頻譜圖，dependent STA只能被動(dòng)掃描，不參與頻譜感知部分。此外IEEE802.11af僅依賴數(shù)據(jù)庫(kù)資源來(lái)確定頻譜使用信息，缺少對(duì)無(wú)線傳聲器信號(hào)和PMSE等主用戶的檢測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用中其信號(hào)可能與主用戶相互干擾。

3.2.2 信道管理

信道管理旨在保護(hù)主權(quán)用戶，動(dòng)態(tài)分配信道資源。下面分別討論IEEE802.22和IEEE802.11af的信道管理方式。

1）IEEE802.22的信道管理

IEEE802.22協(xié)議中定義了多種信道用于信道管理[19]。

Disallowed：當(dāng)?shù)乇O(jiān)管部門(mén)禁用的信道。

Operating：在WRAN小區(qū)內(nèi)正在被用戶使用的信道。

Backup：備用信道，當(dāng)用戶檢測(cè)到操作信道有授權(quán)用戶時(shí)快速切換到此信道。

Candidate：Backup的候選信道。BS可能指示CPE感知該信道是否空閑，若空閑，將其轉(zhuǎn)到Backup信道狀態(tài)。

Protected：被用頻譜感知檢測(cè)過(guò)的信道，若該信道被空出則可能會(huì)轉(zhuǎn)為Candidate信道狀態(tài)。

Unclassified：尚未被感知的信道。

在每個(gè)靜默期后，這些信道的狀態(tài)會(huì)根據(jù)基站或者終端用戶的操作發(fā)生改變，這要求基站和用戶終端及時(shí)更新各信道的狀態(tài)。這樣信道情況發(fā)生變化后，就可以及時(shí)地確定信道的狀態(tài)，便于為CPE重新更換信道，避免干擾。

協(xié)議中還定義了信道中止請(qǐng)求/響應(yīng)（CHT-REQ/RSP）、信道增加請(qǐng)求/響應(yīng)（CHA-REQ/RSP）、信道切換請(qǐng)求/響應(yīng)（CHS-REQ/RSP）等信道管理消息。

2）IEEE802.11af的信道管理

圖2為IEEE802.11 af實(shí)體間通信示意圖。IEEE802.11af的信道管理分為以下幾個(gè)部分：

（1）聯(lián)系確認(rèn)信號(hào)CVS（Contact Verification Signal）：

GDD enabling STA會(huì)向它曾經(jīng)傳送過(guò)WSM的GDD dependent STA發(fā)送CVS幀，一來(lái)告知GDD dependent STA處在GDD enabling STA的覆蓋范圍之內(nèi)，二來(lái)是確認(rèn)前者持有的WSM是否有效。如果CVS中的MAP ID與GDD dependent STA的相同，說(shuō)明GDD dependent STA維護(hù)的WSM有效；反之說(shuō)明已失效，這時(shí)GDD dependent STA向GDD enabling STA發(fā)送CAQ（見(jiàn)圖2）請(qǐng)求，并有可能收到一張新的可用WSM，如果收不到，那么它必須進(jìn)入“未使能”狀態(tài)[18]。

（2）信道可用性查詢 CAQ（Channel Availability Que?ry）：

CAQ過(guò)程是一種dependent STA和enabling STA作為請(qǐng)求站，向RLSS或其他enabling STA獲取可用信道信息的通信過(guò)程。dependent STA在三種情況下發(fā)送CAQ請(qǐng)求幀：①當(dāng)它需要從GDD enabling STA處獲取可用信道信息時(shí)；②在“已使能”狀態(tài)下利用CAQ請(qǐng)求保持在“已使能”狀態(tài)，一旦收到了GDD enabling STA對(duì)CAQ幀的肯定回復(fù)，GDD dependent STA就重置使能狀態(tài)計(jì)時(shí)器；③當(dāng)它得知頻譜使用情況發(fā)生變化，就發(fā)送CAQ幀以獲取新的頻道信息。而GDD enabling STA會(huì)在自身位置超出規(guī)定的范圍或計(jì)時(shí)器超過(guò)有效時(shí)間的情況下，執(zhí)行CAQ過(guò)程以更新信息[18]。

一些情況下，負(fù)責(zé)應(yīng)答的RLSS或enabling STA可以把請(qǐng)求站enabling STA發(fā)來(lái)的CAQ轉(zhuǎn)發(fā)給GDB，從GDB獲取應(yīng)答信息后再把它轉(zhuǎn)發(fā)給請(qǐng)求站。

（3）信道管理計(jì)劃 CSM（Channel schedule manage?ment）：

這是一種僅限于enabling STA與RLSS之間的通信手段。enabling STA可以自行發(fā)起CSM過(guò)程，向RLSS查詢可用的WLAN或者TV頻道的使用計(jì)劃；也可以在接到其他enabling STA發(fā)給自己的CSM請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)發(fā)給RLSS。應(yīng)特別注意CSM不同于CAQ，前者是對(duì)信道使用計(jì)劃的查詢，并且dependent STA沒(méi)有參與CSM過(guò)程的權(quán)限[18]。

（4）網(wǎng)絡(luò)信道控制 NCC（Network Channel Control）：

當(dāng)dependent STA獲取WSM之后，它可以根據(jù)其中的信息判斷可以在哪些信道進(jìn)行操作。因此當(dāng)這種de?pendent STA需要使用信道時(shí)，它向管轄自己的enabling STA發(fā)送NCC請(qǐng)求，其中包含著身份聲明、請(qǐng)求使用的頻段、頻譜掩模等信息。此外，當(dāng)正在操作過(guò)程中的depen?dent STA檢測(cè)到WSM發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)傳送NCC請(qǐng)求。應(yīng)答站方面，enabling STA如果判斷出有合適的信道，就這些信道的編號(hào)和最大功率限制傳送給dependent STA。這些信道編號(hào)可能與請(qǐng)求幀中的完全相同，否則就是被申請(qǐng)信道的真子集。如果dependent STA收到GDD enabling STA發(fā)送的停止操作指令，立即停止任何傳輸，進(jìn)入“未使能”狀態(tài)[18]。

另外，enabling STA可以把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給RLSS，由它做出判斷后應(yīng)答前者，再由前者轉(zhuǎn)發(fā)給請(qǐng)求站。

比較：這兩種標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)白頻譜圖或者信道集進(jìn)行周期或者非周期地更新。IEEE802.22系統(tǒng)中的CPE在信道管理方面是完全被動(dòng)的。它只是不斷地將頻譜感知信息和自身的位置信息傳送給BS，信道管理和切換都是由BS中的SM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果發(fā)現(xiàn)信道沖突，由BS負(fù)責(zé)中止或者切換信道，并將相關(guān)信息發(fā)送給CPE，CPE負(fù)責(zé)執(zhí)行。而在IEEE802.11af中，GDD dependent STA在“已使能”狀態(tài)下可以利用CAQ請(qǐng)求保持在“已使能”狀態(tài)，一旦收到了GDD enabling STA對(duì)CAQ幀的肯定回復(fù)，就重置使能狀態(tài)計(jì)時(shí)器。當(dāng)它得知頻譜使用情況發(fā)生變化，既可以發(fā)送CAQ幀以獲取新的頻道信息，也可以傳送NCC請(qǐng)求，比IEEE802.22系統(tǒng)中的CPE的自主性要大很多。

4 結(jié)語(yǔ)

白頻譜出色的傳播特性以及廣電頻段釋放后帶來(lái)的額外頻譜資源，使得無(wú)論是管理者還是設(shè)備生產(chǎn)商都對(duì)它格外關(guān)注。針對(duì)白頻譜的使用，近年來(lái)歐美的管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)布了多份具有指導(dǎo)意義的研究報(bào)告，美國(guó)和歐洲相繼出臺(tái)了面向不同應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)，其中最具代表性的是IEEE802.11af與IEEE802.22。前者側(cè)重于中遠(yuǎn)距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，包括鄉(xiāng)村寬帶、校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入等；后者則著力于提升遠(yuǎn)距離覆蓋能力。它們都為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開(kāi)辟了新的疆域。筆者相信陸續(xù)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)和逐漸完善的法規(guī)，必將促進(jìn)白頻譜設(shè)備的研究和生產(chǎn)，也會(huì)對(duì)頻譜資源優(yōu)化配置起到推動(dòng)作用。更重要的是，廣電白頻譜的開(kāi)發(fā)利用，將為其他頻段的頻譜資源動(dòng)態(tài)分配，以及免注冊(cè)設(shè)備的研制提供范例。

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